反潛巡邏機搜索雷達感知環模型研究?

王新為 尹成義（海軍大連艦艇學院艦艇指揮系大連116018）

反潛巡邏機搜索雷達感知環模型研究?

王新為 尹成義
（海軍大連艦艇學院艦艇指揮系大連116018）

針對反潛巡邏機使用搜索雷達對海面及空中目標搜索問題，基于機載搜索雷達戰技性能，提出了搜索雷達感知環的概念并建立了相應的數學模型，給出了反潛巡邏機使用搜索雷達目標探測的方式方法。通過仿真計算，探討了感知環寬度隨反潛巡邏機飛行高度以及雷達視軸俯角的變化規律，為確定反潛巡邏機使用搜索雷達目標搜索的最佳飛行高度和雷達最佳視軸俯角提供參考依據。

反潛巡邏機；搜索雷達；感知環

ClassNumber TN95

1 引言

搜索雷達是反潛巡邏機裝備的主要對潛搜索載荷，其機械掃描天線安裝在機首下方，可在全天候氣象條件下，對海面和空中目標進行搜索和跟蹤；采用先進的成像技術實現對潛艇潛望鏡、排氣管以及海面各類艦船的探測與目標識別，完成海上反潛、配合武器火控系統完成攻潛等任務。由于反潛巡邏機自身結構特點，后向機體遮擋區無法探測目標。在研究反潛巡邏機使用雷達目標搜索方法時，必須確定搜索雷達有效探測空間，而感知環能夠較好地描述這一問題。

感知環是指，搜索雷達機械掃描天線旋轉一個周期時雷達波束在海面（任一高度平面）掃視到的區域［1］。只有位于感知環內的目標才可能被探測，該指標一定程度上反映了反潛巡邏機的搜索效率。

2 基本假設

1）反潛巡邏機作等速直線運動，飛行高度為ha，飛行速度為va；

2）搜索雷達視軸俯角，即視軸與水平面夾角為θ；

3）搜索雷達水平波束角為θa，垂直波束角為θr；

4）忽略雷達波瓣分裂。

3 感知環模型建立

感知環大小主要取決于搜索雷達垂直波束角θr，通常用感知環寬度ρ和（或）感知環面積Sρ描述，如圖1所示。

當反潛巡邏機飛行高度h、雷達視軸俯角θ一定時，垂直波束角θr越大，感知環寬度ρ越大。在確定的垂直波束角θr下，感知環寬度ρ是反潛巡邏機空間狀態的函數ρ=f(ha，θ，θr)，如圖2所示。

由幾何分析可知，感知環寬度ρ可表示為

從式（3）可以看出：在任意搜索時刻，感知環大小與反潛巡邏機飛行速度無關，而感知環寬度與飛行高度成正比，與雷達視軸俯角正弦函數平方成反比。垂直波束角θr由雷達戰技性能決定，雷達型號給定時，其垂直波束角一定。

通常情況下，當搜索雷達脈沖重復頻率fr過高將導致距離模糊［2~7］，如圖3所示。其中，目標P1與天線距離較近為l1，則回波達到天線時間t1=2l1c，并設t11 fr，造成距離模糊。

因此，重復頻率的選擇必須考慮到雷達最大作用距離lmax的要求，脈沖重復頻率fr應滿足fr￡c 2lmax。這表明，最大距離處目標回波的到達時刻滿足在第一個重復周期內，則感知環最大寬度ρmax為

4 感知環參數確定

設雷達最大探測距離為Rlmax、雷達視距為Rh，目標高度為ht，則搜索雷達最小視軸俯角θmin表示為

其中，搜索雷達處于下視狀態時，l02應滿足l02￡m in(Rlmax，Rh)。

當搜索雷達視軸俯角θ取最大值時，感知環半徑最小，即：

式中：G為天線增益；λ為雷達工作波長；σt為目標反射截面積；k為玻耳茲曼常數；T0取290K；Fn為系統噪聲系數；L為系統損耗；S N為檢測所需的信噪比；Bd為多普勒濾波器寬度。其中，各參數大部分是可直接得到，系統損耗L和信噪比S N需通過折算或估計得到。

式（7）中檢測所需信噪比與雷達檢測概率及虛警概率有關。信噪比越高，雷達檢測概率越大，虛警率越低［8-10］。若檢測時背景是高斯白噪聲，信噪比S N和檢測概率Pd與虛警概率Pfa對應關系為

當反潛巡邏機與目標距離為Rt，要求的虛警概率為Pfa時，所需檢測概率Pd可表示為

式中，Pav為雷達平均輻射功率。

當搜索雷達視軸俯角θ取最小值時，感知環半徑最大，即：

可以看出，反潛巡邏機使用搜索雷達探測不同目標時，感知環最大寬度不盡相同。當探測確定目標時，為使反潛巡邏機盡早發現目標，應適當調整其飛行高度和雷達視軸俯角［11~12］。

其中，反潛巡邏機飛行高度ha應滿足飛行約束條件，即：

式中：hamin為反潛巡邏機最低安全飛行高度，hamax為反潛巡邏機最大飛行高度。

5 仿真分析

根據某型搜索雷達性能特點，針對水面狀態潛艇和低空狀態飛機，應用感知環模型探索搜索雷達感知環寬度隨視軸俯角以及反潛巡邏機飛行高度的變化規律，從而確定滿足作戰需求的最佳視軸俯角和最佳飛行高度。仿真結果分別如圖4、圖5和表1、表2所示。

從仿真結果可以看出：

1）反潛巡邏機搜索雷達對水面狀態潛艇的最大探測距離主要受雷達視距的影響。反潛巡邏機在使用升限范圍內，飛行高度越高，最大探測距離越遠。因此，為增加發現距離，反潛巡邏機應采用較高的飛行高度。

2）反潛巡邏機搜索雷達視軸俯角對感知環寬度影響較大，感知環寬度隨視軸俯角的增大而減小。通常探測低空目標時，最佳視軸俯角通常應選在11°~13°，此時感知環寬度最大，可使目標在感知環內逗留較長時間，利于對目標探測識別。

表1 水面狀態潛艇對應的感知環相關參數

表2 低空狀態飛機對應的感知環相關參數

6 結語

本文根據反潛巡邏機搜索雷達戰技性能，從作戰使用角度，給出了搜索雷達感知環的概念，并結合反潛巡邏機飛行性能約束、信息傳輸與控制要求以及作戰海區環境特點等因素，建立了搜索雷達感知環數學模型，得出了滿足作戰使用需求的搜索雷達最佳視軸俯角和反潛巡邏機最佳搜索飛行高度，為反潛巡邏機使用搜索雷達對海面及空中目標搜索方式方法的確定提供參考依據。

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Detect Annu lusM odelof Acquisition Radar of Anti-subm arine Patrol Aircraft

WANG Xinwei YIN Chengyi
（DepartmentofOperation and Training，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）

Aimed at the problem ofanti-submarine patrol aircraftdetect differentsea-surface and aerialobjects，according to the operation performance of acquisition radar，the concept of detect annulus is put forward and the correspondingmodel is estab?lished，themanner andmothod ofanti-submarine patrol aircraftdetected objects are given.Through simulation and calculation，the varying pattern of opticalaxis angle ofdepression and flightaltitude from thewidth of detectannulus is discussed，the basis for the bestopticalaxisangle of depression and flightaltitude tomeet the operational requirements is provided.

anti-submarine patrolaircraft，acquisition radar，detectannulus

TN95 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.016

2016年11月17日，

2016年12月22日

王新為，男，博士研究生，研究方向：軍事運籌、艦載武器系統作戰使用研究。尹成義，男，博士，副教授，研究方向：軍事運籌，艦載武器系統作戰使用研究。